臺灣博碩士論文加值系統

本論文以NI運動控制卡為控制核心，開發一六軸機器手臂。應用Maxon馬達搭配Maxon馬達驅動器為驅動架構，並選用高精密度之滾珠螺桿以及影像處理技術來規劃多軸機器手臂之運動軌跡。目的是開發一個穩定、高精密度、多功能運作的多關節式機器手臂並且進行運動規劃。機器手臂透過馬達編碼器所回傳之資訊與機構本身運行之最大極限距離進行運動規劃之基準值換算，運用此基準值搭配滾珠螺桿的高精密度特性與影像處理應用可實行精密之點到點運動規劃，且運動規劃之路徑可透過本系統單軸、聯合控制及夾球監控之人機介面進行測試與監控。本論文之機器手臂同時擁有關節型與直角坐標型兩類之運動特點，可以規劃多種不同難度之任務，例如，需要高精密度之寫字、畫圖、積木組合、骨牌排列以及搭配影像處理執行色球之搜尋與移動等實作上之應用，並可應用在產業自動化領域中。

The thesis develops a six joints robot arm using NI motion controller card. The system architecture of the robot arm uses Maxon Motors and Maxon Motor drivers, and selects high precision ball screw and vision processing system to program multi-axis motion trajectories. The purpose of the thesis develops a robot arm with stability, high precision, multi-functional operation, and programs motion trajectories. Robot arm uses conversion baseline and encoder to calculate the movement displacement and uses proximity sensors to locate the limit position. Using the baseline value with ball screw of high precision enhance the motion ability. The controller of the robot arm can implement precision point to point motion trajectories. The controller can monitors the programmed motion paths on the user interface, and controls single joint or multiple joints to catch ball. This robot arm uses Cartesian Coordinates to program motion trajectories. It’s able to execute multiple different precision tasks, such as writing, painting, block combination, and dominoes formation, and catches ball using vision processing system, and applies in industry automation fields.

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 ix
第一章、 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 研究動機 2
1.4 論文架構 3
第二章、 運動學理論推導 4
2.1 位置、方位及座標系(Positions，Orientations，And Frame) 4
2.1.1 位置簡述 4
2.1.2 方位簡述 4
2.2 座標系之間的轉換(Transform Between Frame To Frame) 5
2.2.1 座標系的平移映射(Mapping Involving Translated Frame) 5
2.2.2 座標系的旋轉映射(Mapping Involving Rotated Frames) 6
2.2.3 普遍映射 7
2.3 順向運動學(Forward Kinematics) 7
2.3.1 連桿簡述 8
2.3.2 機器手臂運動分析 8
第三章、 系統架構 16
3.1 系統架構簡介 16
3.2 機器手臂硬體架構 17
3.2.1 馬達自由度方向 21
3.2.2 各關節運動極限 22
3.2.3 各關節之運動範圍 28
3.2.4 機器手臂之最大有效工作區域 31
3.3 滾珠螺桿機構 33
3.4 電力規劃 34
3.5 運動控制平台 37
3.6 轉接配件 40
3.7 馬達驅動器 41
3.8 馬達系統 43
3.8.1 Jamagawa 馬達 44
3.8.2 Maxon 馬達 45
3.9 感測器系統 52
3.9.1 近接開關 52
3.9.2光電開關 53
3.10 網路攝影機 56
第四章、 機器手臂之控制介面 57
4.1 Measurement & Automation Explorer(MAX) 57
4.1.1 軸卡介面之細部設定 59
4.1.2 運動控制卡內建之位置測試介面 65
4.2 Visual Basic軟體介面 66
4.2.1 單軸控制介面 66
4.2.2 聯合監控介面 69
4.2.3 夾球監控介面 74
第五章、 運動規劃與實作 80
5.1 規劃基準值與準度測試 80
5.2 實作一：機械揮毫 84
5.2.1 機械揮毫之運動規劃 84
5.2.2 機械揮毫實作 86
5.3 實作二：排列組合 92
5.3.1 排列組合之簡介 92
5.3.2 N字母之規劃 95
5.3.3 I字母之規劃 96
5.3.4 W字母之規劃 97
5.3.5 I字母之規劃 99
5.3.6 H字母之規劃 100
5.3.7 排列組合實作 101
5.4 實作三：骨牌效應 119
5.4.1 骨牌效應之簡介 119
5.4.2 骨牌效應之運動規劃 121
5.4.3 骨牌效應實作 131
5.5 實作四：眼明手快 145
5.5.1 眼明手快之簡介 145
5.5.2 影像處理 148
5.5.3 眼明手快之運動規劃與實作 152
第六章、 結論與未來展望 179
6.1 結論 179
6.2 未來展望 179
參考文獻 180
自傳 183

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